對稱偏心孔及螺紋的加工

曾柏權(quán)

（廣東省韶關(guān)市技師學(xué)院，廣東 韶關(guān)512023）

機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)和使用是促進(jìn)生產(chǎn)迅速發(fā)展的重要工藝措施之一，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：能確保加工精度、尺寸穩(wěn)定、生產(chǎn)率高、降低加工成本、降低對技術(shù)工人技術(shù)水平要求、減輕技術(shù)工人的勞動強(qiáng)度等。當(dāng)今機(jī)械行業(yè)技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代，作為機(jī)械制造加工行業(yè)的一員，有責(zé)任把機(jī)床夾具設(shè)計(jì)、改進(jìn)、研制作為一項(xiàng)重要的教研課題。

曾有一個(gè)偏心零件（偏心套）如圖1所示。偏心孔的毛坯為鑄件，外圓部分為φ100f7（）總長 160 mm；內(nèi)孔部分兩端各有Φ40Js7且共軸的與外圓偏心距e=（16±0.1）mm的偏心孔；偏心孔外端帶有M45×2 的螺紋，在坯料中 φ40Js7（）的孔為實(shí)心，要在車床上精加工內(nèi)孔部分尺寸。

圖1 偏心孔

內(nèi)孔部分尺寸精度、形位精度要求都比較高，加工難度大，難以采用常規(guī)的方法加工。需要解決的難題是對零件的裝夾、定位、校正、尺寸精度以及同軸度公差的保證。

夾具設(shè)計(jì)方案：

（1）為保證偏心距及兩偏心孔的同軸度要求須使用專用夾具安裝加工。

（2）應(yīng)考慮兩端螺紋的加工并保證同軸度要求。

結(jié)合本院臥式車床CA6140，為此設(shè)計(jì)了該零件車床上的專用夾具，如圖2所示。該夾具體由上下兩部分構(gòu)成，上夾具體4的半圓弧面為其定位基準(zhǔn)，工件定位后由兩塊V形壓板3夾緊。松開螺母7和帶螺紋的定位銷8，上夾具體相對下夾具體可繞軸水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動180°，即可調(diào)頭加工有同軸度要求的尺寸。

圖2 夾具裝配圖

1 偏心孔加工工藝和夾具設(shè)計(jì)原理

1.1偏心孔加工工藝

（1）采用一夾一頂?shù)姆椒ㄜ囅魍鈭Aφ100f7至φ100.5mm.

（2）采用兩頂尖安裝，磨削外圓φ100f7（）達(dá)圖紙要求，表面粗糙度Ra0.8.

（3）使用專用夾具以φ100f7為定位基面，在一次裝夾中粗、精加工兩偏心孔φ40Js7（）達(dá)圖紙要求，表面粗糙度Ra1.6及一端螺紋M45×2；在同一夾具上調(diào)頭車另一端螺紋達(dá)要求。

1.2夾具設(shè)計(jì)原理

夾具設(shè)計(jì)的原理是通過夾具φ100（）圓弧面為定位基面安裝工件，利用夾具體的圓弧面使偏心孔軸線與主軸的回轉(zhuǎn)軸線達(dá)到較高的同軸度要求，同時(shí)保證夾具回轉(zhuǎn)中心與工件基準(zhǔn)圓中心設(shè)計(jì)距離為（16±0.03）mm，并保證其基準(zhǔn)花盤與直角鐵定位位移誤差最大變動量小于或等于0.0175 mm[1]，可以保證兩偏心孔 φ40Js7（）偏心距（16±0.10）mm 及兩端螺紋M45×2同軸度達(dá)到圖紙要求。當(dāng)加工完一端后，松開螺母和帶螺紋定位銷，把上夾具體調(diào)轉(zhuǎn)180°，鎖緊后就可以加工另一端螺紋。由于夾具回轉(zhuǎn)中心與工件基準(zhǔn)圓中心設(shè)計(jì)距離為（16±0.03）mm未改變，從而使兩端螺紋同軸度得到保證。

2 自由度限制分析

工件在夾具上安裝進(jìn)行偏心孔及螺紋的加工需要限制工件的六個(gè)自由度[1]。

2.1上夾具體自由度分析

（1）直角鐵表面相當(dāng)于三個(gè)支承點(diǎn)，限制了三個(gè)自由度 X轉(zhuǎn)動、Y轉(zhuǎn)動、Z移動.

（2）心軸相當(dāng)于兩個(gè)支承點(diǎn)限制了二個(gè)自由度X移動、Y移動.

（3）定位銷相當(dāng)于一個(gè)支承點(diǎn)限制了Z轉(zhuǎn)動.

2.2工件在上夾具體半圓弧定位基準(zhǔn)面的自由度分析

（1）圓弧基準(zhǔn)面相當(dāng)于四個(gè)支承點(diǎn)，限制了四個(gè)自由度 Y移動、Y轉(zhuǎn)動、Z轉(zhuǎn)動、Z移動.

（2）活動定位塊相當(dāng)于一個(gè)支承點(diǎn)限制了一個(gè)自由度X移動.

活動定位塊工件安裝好后取下，加工此零件只限制除X轉(zhuǎn)動以外的五個(gè)自由度就能滿足加工要求，所以此夾具屬不完全定位夾具。

3 定位誤差分析和定位精度的分析

從夾具結(jié)構(gòu)分析可知，夾具采用了花盤大平面、直角鐵、心軸、上夾具體進(jìn)行定位，其位置會在一定的范圍內(nèi)變動，這樣就產(chǎn)生了定位誤差。而要保證加工的孔軸線的形位公差要求，就必須使工件在夾具中定位所產(chǎn)生的誤差小于工件的形位公差。夾具回轉(zhuǎn)中心與工件基準(zhǔn)圓回轉(zhuǎn)中心公差要求（16±0.10）mm，上夾具體安裝公差取工件公差的1/2至1/3為（16±0.03）mm能達(dá)圖紙加工要求。影響定位精度的原因是“心軸與直角鐵孔、工件與圓弧定位面”定位產(chǎn)生的定位誤差，要保證兩端孔軸線的同軸度要求，必須使工件在夾具中的定位誤差滿足定位精度要求[1]。

圓弧定位面與工件定位分析：已知圓弧定位面尺寸公差 φ100（）；已知工件外圓尺寸公差φ100f7（）[4]。圓弧定位面與工件定位通過間隙配合計(jì)算結(jié)果：最大間隙為0.027 5 mm；最小間隙為0.007 5 mm.計(jì)算方法如下：

最大間隙：（-0.0435）-（-0.036）=0.0275

最小間隙：（-0.0635）-（-0.071）=0.0075

心軸與直角鐵孔定位精度的分析：已知心軸尺寸公差 φ30h5（），已知直角鐵孔尺寸公差 φ30H6（），心軸與直角鐵孔定位通過間隙配合計(jì)算結(jié)果：最大間隙為0.022 mm，最小間隙為0，計(jì)算方法如下：

最大間隙：0.013-（-0.009）=0.022 mm

最小間隙：0-0=0 mm

則圓弧定位面與工件最小間隙為0.007 5 mm；最大間隙為0.027 5 mm；心軸與直角鐵孔最小間隙為0；最大間隙為0.022 mm；小于夾具回轉(zhuǎn)中心與工件基準(zhǔn)圓中心設(shè)計(jì)距離為（16±0.10）mm，故滿足夾具回轉(zhuǎn)中心與工件基準(zhǔn)圓中心設(shè)計(jì)要求。

4 受力分析和強(qiáng)度校核

4.1受力分析

在夾具中加工φ40Js7（）孔時(shí)，由于切削力等的影響，環(huán)首螺釘、心軸會受到切削力影響造成的一個(gè)拉應(yīng)力的拉伸作用。為保證加工過程中工件位置不發(fā)生變化，必須具有足夠的夾緊力，夾緊力的大小要能克服工件的位置變動。

4.2強(qiáng)度校核

通過受力分析可知，心軸、環(huán)首螺釘?shù)淖冃瘟看笮≈饕芗魬?yīng)力和離心力的影響。心軸強(qiáng)度必須能夠克服切削力造成的剪應(yīng)力。

（1）主切削力的計(jì)算：根據(jù)主切削力的近似計(jì)算公式，主切削力的大小主要與工件材料、切削深度和進(jìn)給量有關(guān)。FZ=1 000 apf，工件材料為鑄件、若車削時(shí)選取 ap=2 mm、f=0.2 mm/r，則：

FZ=1 000×12×0.2=2 400（N）[2]

（2）拉應(yīng)力的計(jì)算：根據(jù)心軸的直徑為φ40 mm、截面積A=πR2=3.14×202≈ 1 256 mm2.

бb=FN/A總 =FN/2A=2 400÷（2×1 256）≈1 MPa[3]

（3）強(qiáng)度校核：心軸的材料為45#，材料許用應(yīng)力為600 MPa[4].

根據(jù)拉伸強(qiáng)度條件бb=FN/A≤[б]

бb≈1 MPa ≤ [б]

故：心軸符合拉伸強(qiáng)度要求。

5 夾具制作及裝配

5.1主要元件的要求

夾具結(jié)構(gòu)由9部分組成，分別是花盤、直角鐵、上夾具體、心軸、V形壓板、環(huán)首螺釘、定位銷、平衡塊、活動定位塊。其中：花盤、直角鐵、環(huán)首螺釘都是車床附件可作為組合夾具直接使用。而上夾具體、V形壓板、心軸、定位銷、平衡塊要專門制造。

（1）上夾具體加工工藝

上夾具體是該夾具重要組成部分加工精度要求高，加工工藝如下：尺寸如圖3所示

1）使用鋸床

下料：（160× 155× 145）mm

2）使用數(shù)控銑床

銑四個(gè)平面，保證面與面之間的形位公差要求及尺寸精度要求。

3）使用車床

采用四爪卡盤裝夾，調(diào)整偏心距達(dá)公差要求（16±0.10）mm；百分表校正外圓達(dá)平行度0.01 mm，粗精加工φ100（）至圖紙要求，粗糙度達(dá)Ra1.6.

4）使用線切割

以軸向方向偏離圓柱軸線割開取70 mm達(dá)圖紙要求，割R52圓弧。

5）使用數(shù)控銑床

以大平面為基準(zhǔn)按形位公差要求及各尺寸要求銑好各尺寸至圖紙要求。

圖3 上夾具體

（2）V形壓板

V形壓板是夾具的重要組成部分，安裝在上夾具體上主要作用是鎖緊工件，保證工件在夾具體上的加工位置。加工工藝如下：通過刨、鉆、銑按圖紙要求加工，尺寸如圖4所示。

圖4 V形壓板

（3）心軸

心軸安裝在上夾具體上，主要作用是實(shí)現(xiàn)上夾具體調(diào)轉(zhuǎn)角度加工，加工工藝如下，尺寸如圖5所示。

1）使用車床

通過三爪卡盤裝夾，完成￠78、￠30、￠24 外圓粗加工和精加工，并保證其尺寸精度和形位精度要求；加工M24螺紋達(dá)到其配合尺寸精度要求；切槽2×1保證端面垂直倒角、檢查。

2）使用數(shù)控銑床或加工中心，按圖紙尺寸要求加工沉孔，并保證其配合尺寸精度要求。

圖5 心軸

5.2裝配

在裝配之前先調(diào)整主軸間隙小于0.02 mm.把花盤端面精車，還要把外角鐵兩大平面精刮。將工件外圓、端面涂一層藍(lán)色顯示劑，在V形架上用高度游標(biāo)尺畫中心線、找準(zhǔn)偏心距畫偏心圓。把外角鐵安裝在花盤上，依次安裝各零件，其尺寸公差可取工件相應(yīng)尺寸公差的1/3～1/2.裝好后用量塊百分表檢測。

6 結(jié)束語

專用夾具解決了加工中的難度，該夾具結(jié)構(gòu)簡單，夾具體材料采用HT200和45#，主要是在于工件裝夾、定位、校正、切削過程等各種因素影響，只要抓住關(guān)鍵因素，并協(xié)調(diào)好其他關(guān)聯(lián)因素，就能使切削加工順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳 望，王愧德.車工實(shí)用手冊[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2002.

[2]胡荊生.公差配合與持技術(shù)測量[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2000.

[3]許兆豐，梁君豪，南曉東.車工工藝學(xué)[M].北京：勞動出版社，1996.

[4]蔡月珍，王有先，王慶翔，等.金屬材料與熱處理[M].北京：中國勞動出版社，1993.